并聯型有源濾波器的設計與仿真

甘 輝 方 潔 云蘇樂 董銀輝 劉雪琴

（南京農業大學，江蘇 南京 210000）

并聯型有源濾波器的設計與仿真

甘 輝 方 潔 云蘇樂 董銀輝 劉雪琴

（南京農業大學，江蘇 南京 210000）

隨著電子技術的飛速發展，各種電力設備在為人們提供高速，高效的便捷的生活的同時，也產生各種電網污染問題。該文以并聯型有源濾波器作為研究對象，分析其工作原理，利用改進的瞬時功率理論檢測諧波電流及劃窗遞推方法，并且運用重復控制與無差拍控制相結合的方法來進行電流跟蹤并且實現諧波電流的補償，凈化電網。

有源濾波器；并聯型；瞬時功率檢測；重復控制；無差拍控制

0.引言

改善電網質量，必須要控制電網中的無功與諧波，因此提高功率因數與抑制諧波就推動了各種諧波抑制與無功補償技術的大力發展。針對諧波抑制，目前國際上有兩個方面，一是從諧波源出發，對非線性負載使用合理的電路結構，使負載產生較少的諧波，甚至不產生諧波。二是增加外部電力電子設備來補償諧波，這種方案適用于所有的諧波源。有源濾波器就是一種能夠對電網中的諧波進行抑制與無功補償的設備。文以并聯型APF來介紹濾波器的原理。

1.并聯型有源濾波器

并聯型APF與非線性負載在電網中是以并聯電路接入的，并聯型有源電力濾波器的主電路由變流器，電感以及直流側儲能元件所構成，并聯型有源濾波器相當于一個受控電流源，主要用于補償電流型的諧波和無功電流，能夠對諧波與無功功率同時進行補償也能夠單獨補償。并聯型APF安裝方便，損耗較小，成本相對較低，而且補償性能好，所以目前是應用最為廣泛的一類濾波器。

1.1并聯有源濾波器原理

有源濾波器主要由指令電流運算部分，電流跟蹤控制部分，驅動電路，主電路及必要的保護及輔助電路構成。指令電流運算部分即諧波與無功電流檢測電路，將負載電流中的諧波電流及無功電流分離出來，將兩者經過一定計算得出需要補償的電流指令信號ic*。電流跟蹤控制部分電路即補償電流控制電路，根據指令信號，得出控制主電路各器件通斷的PWM信號，對補償電流進行PWM信號調制。通過驅動電路驅動功率變換電路中的開關，使主電路輸出實際補償電流ic。由基爾霍夫定律可得，ic是用來補償負載電流中的諧波與無功電流，因此，可以將負載電流看作是基波電流與諧波及無功電流構成，達到補償的目的。

1.2算法

以瞬時功率理論為基礎延伸出不同的一類算法，算法，只取正弦，余弦參與計算，并不依賴于系統的電壓信息，因此檢測結果并無誤差。本文中我們主要是運用基于算法的檢測，如圖1所示。

PLL鎖相環：檢測得到與電壓ea同步旋轉的角速度θ。

iaL，ibL，icL：三相負載電流。

iα，iβ：將三相負載電流從靜止坐標系轉換成兩相靜止α—β坐標系得到。

ip，iq：ip為瞬時有功電流分量，iq為瞬時無功電流分量，包含所有基波與諧波電流，將iα，iβ從兩相靜止坐標系轉換成兩相同步旋轉cpq坐標得到。

LPF：低通濾波器

基波電流產生的有功直流分量與無功直流分量，ip，iq經過LPF得到。

iαf，iβf：兩相基波電流，將有功與無功直流分量從同步旋轉坐標系轉換到兩相靜止的α—β坐標系中。

iaf，ibf，icf：三相基波電流，有功與無功直流分量從兩相α—β坐標系轉換到三相靜止坐標系。

iah，ibh，ich：三相諧波電流，由負載電流與基波電流相減所得。

1.3滑窗FFT遞推算法

DFT及其快速算法FFT是數字信號處理領域的核心組成部分。FFT算法多種多樣，按數據組合方式不同一般分時域法和頻域法，按數據抽取方式的不同又可分為基2和基4等。各算法的優缺點視不同的制約因素而不同。FFT的實現方法也多種多樣，可以用軟件實現，也可以用硬件實現。在數字通信系統中，經常用到信號譜線技術，這種技術利用離散傅里葉變換將信號從時域變換到頻域，達到信號檢測、信道估值、同步和調解的目的。

2.電流控制策略

對電流的控制是有源濾波器中另一關鍵因素，存在于APF中的電流跟蹤控制部分，控制主電路中的變流器產生與諧波大小相等，方向相反的電流。

2.1無差拍控制

無差拍控制電流是采樣控制系統中一種特有的控制方式，在每一個開關周期內計算變流器在下一個開關內的占空比，其原理是利用下一個采樣時刻指令電流的預測值和當前時刻采樣電壓和電流值，計算當前指令電壓或指令電流，以達到電流跟蹤誤差為零的目的，如圖2所示。

無差拍控制屬于開環控制，存在穩態誤差，對于環境及參數依賴較強而產生誤差。其良好的電流跟蹤效果需要有合適的電流預測方案來保證，而這種不進行預測的無差拍控制實為差一拍或差幾拍控制，由頻譜分析可知，補償之后電源電流的低次諧波含量較高。

2.2重復控制

重復控制策略是基于內模原理的，在一個周期性的信號中，它能將每個周期中的誤差存儲下來，并且進行逐周期累加，是一種有效的波形校正技術，能夠消除周期性擾動的影響。

2.3重復控制的無差拍控制電流

由于無差拍控制對參數依賴性較強，其濾波效果受預測方案影響較大，而重復控制最大的缺點即是動態響應速度過慢，因此可以將二者結合起來對電流進行控制。

在電網中，非線性負載產生的諧波無功電流各不相同，但是由于諧波電流的出現具有重復性和周期性，平推算法的預測值與實際值之間的誤差也將以固定的波形重復出現。采用重復控制結合無差拍控制電流的方法，利用重復控制對電網電流進行超前一拍的預測，由于無差拍控制對于電流預測值總是會產生延時，因此將二者結合在一起，可以改善無差拍控制電流的性能。

將重復控制器置于無差拍控制之前，通過對上一開關周期誤差信息的收集，能夠在下一周期到來時，給予正確的幅度，相位補償值，然后迅速的消除該周期的誤差。重復控制減小諧波失真，改善系統誤差，無差拍控制提高系統的動態響應。將兩者結合在一起能夠對變化的電流有很好的適應能力，當電網中的參數變化，兩種控制方法能夠很好地對變化的電流進行跟蹤，從而準確得出控制主電路的開斷信號。

3.仿真

利用MATLAB對并聯型有源濾波器利用瞬時功率檢測方法并將無差拍與重復控制運算結合在一起的算法方式進行諧波補償，可以看到含有諧波的電流經補償已經接近于正弦波圖形如圖3和圖4所示。

結論

為達到補償諧波電流，使電網電流為正弦波電流的目的，在無差拍控制電流的基礎上對其缺點進行了改進，采用無差拍控制與重復控制相結合的控制策略，能更好地控制諧波電流。通過實驗仿真我們可以看到電網電流經兩種控制算法的結合，諧波電流大大減少，達到凈化電網的目的，證明了該方法的正確性與可行性。

［1］王兆安，等.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［2］胡偉.基于技術的混合有源濾波器仿真研究與設計［D］.長沙：湖南師范大學，2008.

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